DE102004031396A1

DE102004031396A1 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102004031396A1
Application number: DE102004031396A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Kranz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-02-02
Also published as: CN1722590A; US7595618B2; CN1722590B; US20060017422A1

Abstract

Ein Gleichspannungswandler, der eine eingangsseitige Versorgungsspannung (Vin) in eine Ausgangsspannung (Vout) taktweise wandelt, umfasst ein induktives Speicherelement (1), das zwischen einem Anschluss für die Versorgungsspannung (Vin) und, über einen ersten Schalter (2) gekoppelt, einem Anschluss für das Bezugspotenzial (Vss) angeschlossen ist. Zwischen dem induktiven Speicherelement (Vin) und dem ersten Schalter (2) ist über einen zweiten Schalter (3) der kapazitiv gepufferte Anschluss für die Ausgangsspannung (Vout) angeschlossen. Des Weiteren ist ein Detektorschaltkreis (6) zur Unterscheidung zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers vorgesehen, an dem eingangsseitig eine Detektorspannung (V1) anliegt, die ihrerseits zwischen dem induktiven Speicherelement (Vin) und dem ersten Schalter (2) abgegriffen wird. Der Detektorschaltkreis stellt ein Ausgangssignal (S8) bereit, anhand dessen zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers unterschieden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, der taktweise betrieben wird und über einen Detektorschaltkreis verfügt, der seinerseits zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers unterscheiden kann.

Gleichspannungswandler werden in portablen Geräten eingesetzt, bei denen aufgrund gewünschter Miniaturisierung und Gewichtsersparnis nur eine geringe Versorgungsspannung durch die Batterien zur Verfügung gestellt wird. Um die Schaltungseinheiten der Geräte zu versorgen, wandelt ein Gleichspannungswandler die Versorgungsspannung in eine höhere Ausgangsspannung. Der Aufbau eines solchen, auch als Aufwärtswandler bezeichneten, Gleichspannungswandler ist in Tietze/Schenk: „Halbleiterschaltungstechnik", 12. Auflage, Seite 948 bis 949 beschrieben.

Ein Gleichspannungswandler umfasst ein induktives Speicherelement, das zwischen einem Anschluss mit Versorgungsspannung und, über einen ersten Schalter gekoppelt, einen Anschluss für das Bezugspotential angeschlossen ist. Zwischen dem induktiven Speicherelement und dem ersten Schalter ist über einen zweiten Schalter der kapazitiv gepufferte Anschluss für die Ausgangsspannung angeschlossen.

Im idealen taktweisen Betrieb schalten der erste Schalter und der zweite Schalter gleichzeitig um. Wenn der erste Schalter leitend ist und der zweite Schalter nicht leitend ist, wird Energie im induktiven Speicherelement gespeichert. Die Ladung wird entnommen, wenn der zweite Schalter leitend ist und der erste Schalter nicht leitend ist, und der Kondensator wird aufgeladen. Wenn die Schaltzustände des ersten und zweiten Schalters unverändert bleiben, sinkt der aus dem induktiven Speicherelement abfließende Spulenstrom kontinuierlich, bis das induktive Speicherelement entladen ist und kein Spulenstrom mehr fließt. Dieser Betriebsmodus wird auch als lückender Betrieb bezeichnet. Wenn der erste Schalter und der zweite Schalter umgeschaltet werden, bevor der Spulenstrom versiegt ist, wird dieser Betriebsmodus als nicht lückender Betrieb bezeichnet.

Damit die Ausgangsspannung einen vorgegebenen Wert annimmt, ist eine Regelschaltung vorgesehen, die ausgangsseitig an die Steuereingänge des ersten und zweiten Schalters gekoppelt ist und deren Schaltzustände regelt. Die Regelschaltung ist derart ausgestaltet, dass sie abhängig davon, ob der Gleichspannungswandler im lückenden oder im nicht lückenden Betrieb arbeitet, in einer von zwei Betriebsarten arbeitet.

Bisher werden meist Gleichspannungswandler verwendet, die entweder im lückenden oder im nicht lückenden Betrieb arbeiten, sodass die Regelschaltung nur für eine Betriebsart ausgelegt ist.

Bei Regelschaltungen, die zwischen beiden Betriebsarten umschaltbar sind, muss der Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers bestimmt werden, damit die Regelschaltung in der entsprechenden Betriebsart arbeitet. Bisher wird der Spulenstrom gemessen, um die beiden Betriebsmodi des Gleichspannungswandlers zu unterscheiden. Dieses ist mit erheblichem schaltungstechnischen Aufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach realisierbaren Detektorschaltkreis zur Unterscheidung zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Gleichspannungswandler, der eine eingangsseitige Versorgungsspannung in eine Ausgangsspannung taktweise wandelt und umfasst:

– ein induktives Speicherelement, das einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, von denen der erste Anschluss mit einem Anschluss für die Versorgungsspannung verbunden ist,
– einen ersten Schalter, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist und zum induktiven Speicherelement in Reihe geschaltet ist, wobei der erste Anschluss des ersten Schalters mit dem zweiten Anschluss des induktiven Speicherelements verbunden ist und der zweite Anschluss des ersten Schalters mit einem Anschluss für das Bezugspotential verbunden ist,
– einen zweiten Schalter, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, von denen der erste Anschluss mit dem zweiten Anschluss des induktiven Speicherelements verbunden ist und an dessen zweiten Anschluss die Ausgangsspannung bereitgestellt wird,
– ein kapazitives Speicherelement, das zwischen dem Ausgangsanschluss zur Bereitstellung der Ausgangsspannung und dem Anschluss für das Bezugspotential geschaltet ist, sowie
– einen Detektorschaltkreis zur Unterscheidung zwischen einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers, an dem eingangsseitig eine Detektorspannung anliegt, die ihrerseits an dem zweiten Anschluss des induktiven Speicherelements abgegriffen wird, und der ein Ausgangssignal bereitstellt, anhand dessen zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers unterschieden wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Patentansprüchen angegeben.

Vorzugsweise umfasst der Detektorschaltkreis einen Schwellwertentscheider, an dem eingangsseitig die Detektorspannung anliegt und ein nachgeschaltetes Speicherelement, dessen Ausgangssignal die Betriebsmodi anzeigt. Diese Anordnung aus lediglich zwei Standardkomponenten ist auf einfache Weise integrierbar.

Eine Regelschaltung stellt ausgangsseitig ein erstes Schaltsignal zur taktweisen Schaltung des ersten Schalters und ein zweites Schaltsignal zur taktweisen Schaltung des zweiten Schalters zur Verfügung. Damit wird die vorgegebene Ausgangsspannung auch bei veränderter Last bereitgestellt.

Das erste Schaltsignal und das zweite Schaltsignal sind so oder nahezu so gewählt, dass der erste Schalter und der zweite Schalter im Gegentakt leitend oder im Gegentakt nicht leitend sind. Dieses ideale Schaltverhalten garantiert einen hohen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers.

In einer Ausgestaltung ist entweder der erste Schalter als n-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet und der zweite Schal ter als p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet, oder der erste Schalter ist als p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet und der zweite Schalter ist als n-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung können der ersten und der zweite Schalter mit demselben Schaltsignal angesteuert werden.

In einer alternativen Ausgestaltung ist sowohl der erste Schalter als auch der zweite Schalter als n-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet oder der erste Schalter und der zweite Schalter sind als p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet, sodass nur ein Schaltertyp verwendet wird.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist der zweite Schalter als Diode ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass nur ein erstes Schaltsignal von der Regelschaltung bereitgestellt werden muss, was die Regelschaltung und die Regelung entsprechend vereinfacht.

Der lückende und der nicht lückende Betrieb des Gleichspannungswandlers lassen sich auch anhand des Schaltzustandes des ersten und des zweiten Schalters unterscheiden. Im nicht lückenden Betrieb, wenn der Spulenstrom nicht verschwindet, muss gewährleistet sein, dass der erste Schalter und der zweite Schalter nie gleichzeitig nicht leitend sind. Sonst würde ein Unterbrechen des Spulenstroms zu Spannungsschwingungen führen, die die Schaltung zerstören würden. Bei Ausgestaltung des zweiten Schalters als Diode ist gewährleistet, dass der zweite Schalter stets leitend ist, wenn der Spulenstrom nicht gegen Null geht. Die gleiche Funktion übernimmt die Bulk-Diode, wenn der zweite Schalter als Feldeffekt-Transistor ausgestaltet ist. In diesem Fall ist der Schalter mit einer zusätzlichen Diodenfunktion ausgeführt, dass der Schalter, wenn ein größerer Strom fließt, nicht von leitend nach nicht leitend umgeschaltet werden kann.

Im lückenden Betrieb sperrt die Diode, wenn der Spulenstrom gegen Null geht. Im induktiven Speicherelement ist in diesem Fall noch Restenergie gespeichert. Da in diesem Fall der erste und der zweite Schalter nicht leitend sind, kommt es zu Spannungsschwingungen der Detektorspannung aufgrund des dann entstandenen Schwingkreises, gebildet aus induktivem Speicherelement und parasitärer Schalterkapazität. Durch Detektion dieser Spannungsschwingung wird der lückende vom nicht lückenden Betrieb unterschieden.

Bei Ausgestaltung des zweiten Schalters als Feldeffekt-Transistor treten diese Spannungsschwingungen nicht auf, wenn der Schalter leitend ist und der Spulenstrom gegen Null geht. Deshalb ist es notwendig, beim Übergang vom lückenden zum nicht lückenden Betrieb in einer kurzen Zeitspanne vor Wiederaufladen des induktiven Speicherelements den Feldeffekt-Transistor, als Ausstaltung des zweiten Schalters, so zu schalten, dass dieser sperren soll. Wenn der Spulenstrom gegen Null geht, treten die charakteristischen Spannungsschwingungen auf. Bei größerem Spulenstrom gewährleistet die Bulk-Diode, dass der Spulenstrom trotz Schaltsignal fließen kann.

Folglich wird ein erster Betriebsmodus dadurch definiert, dass ein erster Zeitabschnitt, in dem der erste Schalter nicht leitend ist, mit einem zweiten Zeitabschnitt, in dem der zweite Schalter nicht leitend ist, überlappt. Dagegen überlappen der erste und der zweite Zeitabschnitt im zweiten Betriebsmodus nicht. Diese Definition ermöglicht die Unterscheidung der beiden Betriebsmodi anhand des Auftretens der Schwingungen der Detektorspannung, die nur auftreten, wenn sich der erste und der zweite Zeitabschnitt überlappen. Der erste Betriebsmodus entspricht dem lückenden Betrieb, und der zweite Betriebsmodus entspricht dem nicht lückendem Betrieb.

Eine Ausgestaltung des Schwellwertentscheiders zur Detektion von Überschwingern weist einem ausgangsseitigen Signal einen von zwei logischen Zuständen zu, dass ein erster logischer Zustand angenommen wird, wenn ein interner Schwellwert überschritten wird, und dass sonst ein zweiter logischer Zustand angenommen wird.

Alternativ kann der Schwellwertentscheider zur Detektion von Unterschwingern ausgestaltet sein, dass einem ausgangseitigen Signal einen oder zwei logischen Zuständen zugewiesen wird, dass der erste logische Zustand angenommen wird, wenn ein interner Schwellwert unterschritten wird, und dass sonst der zweite logische Zustand angenommen wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Schwellwertentscheiders, weist dieser zwei interne Schwellwerte auf, wobei ein erster Schwellwert für ein Umschalten vom ersten in den zweiten Zustand sich von einem zweiten Schwellwert für ein Umschalten vom zweiten in den ersten Zustand um eine Schalthysterese unterscheidet. Diese auch als Schmitt-Trigger bezeichnete Weiterbildung lässt sich in einfacher Weise realisieren.

Das Speicherelement ist mit einem Setzeingang, der mit dem Ausgang des Schwellwertentscheiders gekoppelt ist, einem Rücksetzeingang und einem Ausgang versehen, wobei der Rücksetzeingang mit dem ersten Schaltsignal so gekoppelt ist, dass ausgangsseitig am Speicherelement einer der logischen Zustände anliegt, wenn der erste Schalter leitend ist, und dass ausgangseitig ein anderer logischer Zustand anliegt, sobald am Setzeingang eine Taktflanke auftritt, wenn der erste Schalter nicht leitend ist. Diese Ausgestaltung detektiert Über- und Unterschwinger der Detektorspannung bereits beim ersten Auftreten. Vorteilhafterweise ist das Speicherelement als D-Flip-Flop ausgebildet.

Der Schwellwertentscheider kann mit einem Versorgungseingang versehen sein. Das Speicherelement kann mit einem weiteren Eingang ausgestaltet sein, der beispielsweise beim D-Flip-Flip dazu dient, einem der logischen Zustände einen Wert zuzuweisen.

Zweckmäßigerweise ist das Ausgangssignal des Detektorschaltkreises so an die Regelschaltung gekoppelt, dass diese in der ersten Betriebsart arbeitet, wenn das Signal am Ausgang des Speicherelements taktweise zwischen zwei Zuständen alterniert, und dass die Regelschaltung in der zweiten Betriebsart arbeitet, wenn das Signal am Ausgang des Speicherelements konstant ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gleichspannungswandler in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet, dadurch wird die gewünschte Miniaturisierung in den verwendeten Geräten unterstützt.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen und Zustandsdiagrammen erklärt.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Detektorschaltkreises,
3 ein Zustandsdiagramm anhand ausgewählter Zeitsignale in einem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers und
4 ein Zustandsdiagramm anhand ausgewählter Zeitsignale in einem ersten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers.
In 1 ist ein Gleichspannungswandler dargestellt, der eine eingangsseitige Versorgungsspannung Vin eine Ausgangsspannung Vout taktweise wandelt. Der Gleichspannungswandler umfasst ein induktives Speicherelement 1, das einen ersten Anschluss 11 und einen zweiten Anschluss 12 aufweist, von denen der erste Anschluss 11 mit einem Anschluss für die Versorgungsspannung Vin verbunden ist. Des Weiteren umfasst der Gleichspannungswandler einen ersten Schalter 2, der einen ersten Anschluss 21 und einen zweiten Anschluss 22 aufweist, und zum induktiven Speicherelement 1 in Reihe geschaltet ist, wobei der erste Anschluss 21 des ersten Schalters 2 mit dem zweiten Anschluss 12 des induktiven Speicherelements 1 verbunden ist und der zweite Anschluss 22 des ersten Schalters 2 mit einem Anschluss für das Bezugspotential Vss verbunden ist. Ein zweiter Schalter 3, der einen ersten Anschluss 31 und einen zweiten Anschluss 32 aufweist, ist mit dem ersten Anschluss 31 mit dem zweiten Anschluss 12 des induktiven Speicherelements 1 verbunden. Am zweiten Anschluss 32 des zweiten Schalters 3 wird die Ausgangsspannung Vout bereitgestellt. Zwischen dem Ausgang zur Bereitstellung der Ausgangs spannung Vout und dem Anschluss für das Bezugspotential Vss ist ein kapazitives Speicherelement 4 geschaltet.
Eine Regelschaltung 5 stellt ausgangsseitig ein erstes Schaltsignal S2 zur Steuerung des ersten Schalters 2 und ein zweites Schaltsignal S3 zur Steuerung des zweiten Schalters 3 bereit, damit die Ausgangsspannung Vout einen vorgegebenen Wert annimmt. Die Regelschaltung 5 ist derart ausgestaltet, dass sie zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart umschaltbar ist. Eingangsseitig der Regelschaltung 5 liegt die Ausgangsspannung Vout an und das Ausgangssignal S8 eines vorgeschalteten Detektorschaltkreises zur Unterscheidung zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers, an dem eingangsseitig eine an dem zweiten Anschluss 12 des induktiven Speicherelements 1 abgegriffene Detektorspannung V1 und das erste Schaltsignal S2 anliegen. Der Detektorschaltkreis 6 und die Regelschaltung 5 sind so gekoppelt, dass bei Detektion eines ersten Betriebsmodus durch den Detektorschaltkreis 6 die Regelschaltung 5 in der ersten Betriebsart arbeitet und bei Detektion eines zweiten Betriebsmodus die Regelschaltung 5 in der zweiten Betriebsart arbeitet.
In 2 ist der Aufbau des Detektorschaltkreises 6 dargestellt. Der Detektorschaltkreis 6 besteht im Wesentlichen aus einem Schwellwertentscheider 7 mit einem nachgeschalteten Speicherelement 8. Am Schwellwertentscheider 7 liegt eingangsseitig die Detektorspannung V1 an.
Der Schwellwertentscheider 7 weist einem ausgangseitigen Signal S7 einen von zwei logischen Zuständen zu, dass der erste logische Zustand angenommen wird, wenn ein interner Schwellwert unterschritten wird, und dass sonst der zweite logische Zustand angenommen wird. Der Schwellwert kann zur Detektion von Über- oder Unterschwingern eingestellt sein.
Eine alternative Ausgestaltung des Schwellwertentscheiders 7, die auch als Schmitt-Trigger bezeichnet wird, weist zwei interne Schwellwerte auf, wobei ein erster Schwellwert für ein Umschalten vom ersten in den zweiten Zustand sich von einem zweiten Schwellwert für ein Umschalten vom zweiten in den ersten Zustand um eine Schalthysterese unterscheidet.
Das Speicherelement 8 verfügt über einen Setzeingang, der mit dem Ausgang des Schwellwertentscheiders 7 gekoppelt ist, einen Rücksetzeingang, wobei der Rücksetzeingang mit dem ersten Schaltsignal S2 so gekoppelt ist, dass am Ausgang des Speicherelements 8 ein logischer Zustand anliegt, wenn der erste Schalter 2 leitend ist, und dass ausgangseitig ein anderer logischer Zustand anliegt, sobald am Setzeingang eine Taktflanke auftritt, wenn der erste Schalter 2 nicht leitend ist.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Speicherelements 8 ist ein D-Flip-Flop, dessen Ausgangszustand zurückgesetzt wird, wenn am Rücksetzeingang keine Spannung anliegt, wie in 1 beispielhaft dargestellt. Diese Ausführung erlaubt ein stabiles Hochfahren der Schaltung. Das Speicherelement kann mit einem weiteren Eingang ausgestaltet sein, der beispielsweise beim D-Flip-Flip dazu dient, einem der logischen Zustände einen Wert zuzuweisen. Dieser Eingang ist mit der Ausgangsspannung Vout verbunden.
Gemäß der 2 ist für die Kopplung zwischen dem Speicherelement 8 und dem ersten Schaltsignal S2 ein Inverter 9 vorgesehen. Der Inverter kann auch als schnell schaltender Treiberinverter ausgestaltet sein kann. Alternativ ist es bei spielsweise auch möglich, direkt oder über einen Verstärker zu koppeln. Da beispielsweise der Schwellwertentscheider 7 invertierend ausgeführt sein kann, kann der erste logische Zustand am Ausgang des Schwellwertentscheiders 7 einem anderen Wert entsprechen als der erste logische Zustand am Ausgang des Speicherelements 8.
In 3 ist das Zustandsdiagramm anhand ausgewählter Zeitsignale für einen zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers dargestellt. Das erste Schaltsignal S2 und das zweite Schaltsignal S3 sind mit dem ersten Schalter 2 beziehungsweise zweiten Schalter 3 gekoppelt, dass die Schalter bei einem hohen Pegel leitend sind und bei einem niedrigen Pegel nicht leitend sind. Des Weiteren sind die Detektorspannung V1 und das Ausgangssignal S7 des Schwellwertentscheiders 7 und das Ausgangssignal S8 des Speicherelements 8 dargestellt.
Die Funktionsweise des Detektorschaltkreises 6 wird im Folgenden zunächst für den zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers erläutert. Im zweiten Betriebsmodus überlappt sich eine erste Zeitspanne, in der der erste Schalter 2 nicht leitend ist, nicht mit einer zweiten Zeitspanne, in der der zweite Schalter 3 nicht leitend ist.
In 3 ist dargestellt, dass zunächst der Schalter 2 leitend ist und der zweite Schalter 3 nicht leitend ist, sodass das induktive Speicherelement 1 mit Energie aufgeladen wird. In diesem Fall ist die Detektorspannung V1 auf dem Potential der Bezugsspannung Vss.
Der Schwellwertentscheider 7 in diesem Ausführungsbeispiel ist derart ausgestaltet, dass sein Ausgang invertierend ist und die interne Schwelle zur Detektion von Unterschwingern eingestellt ist. Das Ausgangssignal S7 des Schwellwertentscheiders 7 hat den Wert des ersten Zustandes des Schwellwertentscheiderausgangs. Da der erste Schalter 2 leitend ist, liegt am Ausgang des Speicherelements 8 ein erster Zustand des Speicherelementausgangs an.
Wenn der erste Schalter 2 und der zweite Schalter 3 umgeschaltet werden, ist der erste Schalter 2 nicht leitend und der zweite Schalter 3 leitend. Das induktive Speicherelement 1 wird über einen kontinuierlich geringer werdenden Spulenstrom entladen. Die Detektorspannung V1 hat ungefähr den Wert der Ausgangsspannung Vout. Am Ausgang des Schwellwertentscheiders 7 liegt dessen zweiter Zustand an, da die interne Schwelle von der Detektorspannung V1 überschritten ist. Da am Setzeingang des Speicherelements 8 keine Taktflanke auftritt, wenn der erste Schalter 2 nicht leitend ist, bleibt der Zustand am Ausgang des Speicherelementes 8 unverändert.
In 4 ist das Zustandsdiagramm anhand ausgewählter Zeitsignale für einen ersten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers dargestellt. Die Kopplung des ersten Schaltsignals S2 mit dem ersten Schalter 2 und des zweiten Schaltsignals S3 mit dem zweiten Schalter 3 ist, ebenso wie die Ausgestaltung der Schaltung, unverändert.
Das erste Schaltsignal S2 und das zweite Schaltsignal S3 unterscheiden sich von denen in 3 dadurch, dass eine zusätzliche, für den ersten Betriebsmodus charakteristische Phase auftritt, in der der erste Schalter 2 und der zweite Schalter 3 nicht leitend sind. Diese Phase tritt gegen Ende des Entladevorganges des induktiven Speicherelements 1 auf. Da noch Restenergie im induktiven Speicherelement gespeichert ist, kommt es bei Unterbrechung des Spulenstromflusses zu Schwingungen der Detektorspannung V1, die vom entstandenen Schwingkreis, gebildet aus dem induktiven Speicherelement 1 und der parasitären Schalterkapazität, verursacht wird.
Wenn der Unterschwinger der Detektorspannung V1 die interne Schwelle des Schwellwertentscheiders 7 unterschreitet, wechselt das Ausgangssignal S7 vom zweiten in den ersten Zustand. Das Speicherelement 8 detektiert eine Signalflanke des eingangsseitigen Signals S7, wenn der erste Schalter 2 nicht leitend ist. In Folge dessen geht das Ausgangssignal S8 des Speicherelements 8 in einen anderen Zustand. Der ausgangsseitige Zustand des Speicherelements S8 wird erst dann wieder zurückgeschaltet, wenn der erste Schalter 2 leitend ist. Deshalb alterniert das Ausgangssignal S8 des Speicherelements 8 taktweise zwischen zwei Zuständen.
Anhand des Ausgangssignals S8 des Speicherelements 8, das mit der Regelschaltung gekoppelt wird, wird zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus unterschieden, und die Regelschaltung wird in die entsprechende Betriebsart geschaltet.

1: induktives Speicherelement
11: erster Anschluss des induktiven Speicherelements
12: zweiter Anschluss des induktiven Speicherelements
2: erster Schalter
21: erster Anschluss des ersten Schalters
22: zweiter Anschluss des ersten Schalters
3: zweiter Schalter
31: erster Anschluss des zweiten Schalters
32: zweiter Anschluss des zweiten Schalters
4: kapazitives Speicherlement
5: Regelschaltung
6: Detektorschaltkreis
Vin: Versorgungsspannung
Vout: Ausgangsspannung
V1: Detektorspannung
Vss: Bezugspotential
S2: erstes Schaltsignal
S3: zweites Schaltsignal
S8: Ausgangssignal des Detektorschaltkreises
7: Schwellwertentscheider
8: Speicherelement
9: Inverter
S7: Ausgangssignal des Schwellwertentscheiders

Claims

Gleichspannungswandler, der eine eingangsseitige Versorgungsspannung (Vin) in eine Ausgangsspannung (Vout) taktweise wandelt, umfassend: – ein induktives Speicherelement (1), das einen ersten Anschluss (11) und einen zweiten Anschluss (12) aufweist, von denen der erste Anschluss (11) mit einem Anschluss für die Versorgungsspannung (Vin) verbunden wird, – einen ersten Schalter (2), der einen ersten Anschluss (21) und einen zweiten Anschluss (22) aufweist und zum induktiven Speicherelement (1) in Reihe geschaltet ist, wobei der erste Anschluss (21) des ersten Schalters (2) mit dem zweiten Anschluss (12) des induktiven Speicherelements (1) verbunden ist und der zweite Anschluss (22) des ersten Schalters (2) mit einem Anschluss für das Bezugspotential (Vss) verbunden ist, – einen zweiten Schalter (3), der einen ersten Anschluss (31) und einen zweiten Anschluss (32) aufweist, von denen der erste Anschluss (31) mit dem zweiten Anschluss (12) des induktiven Speicherelements (1) verbunden ist und der zweite Anschluss (32) mit einem Anschluss zur Bereitstellung der Ausgangsspannung (Vout) verbunden ist, – ein kapazitives Speicherelement (4), das zwischen den Ausgangsanschluss zur Bereitstellung der Ausgangsspannung (Vout) und den Anschluss für das Bezugspotential (Vss) geschaltet ist, sowie – einen Detektorschaltkreis (6) zur Unterscheidung zwischen einem ersten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers und einem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers, an dem eingangsseitig eine Detektorspannung (V1) anliegt, die ihrerseits an dem zweiten Anschluss (12) des induktiven Speicherelements (1) abgegriffen wird, und der ein Ausgangssignal (S8) bereitstellt, anhand dessen zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers unterschieden wird.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektorschaltkreis (6) umfasst: – einen Schwellwertentscheider (7), an dem eingangsseitig die Detektorspannung (V1) anliegt, und – ein nachgeschaltetes Speicherelement (8), anhand dessen ausgangsseitigem Signal (S8) zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers unterschieden wird.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (2) abhängig von einem ersten Schaltsignal (S2) und der zweite Schalter (3) abhängig von einem zweiten Schaltsignal (S3) taktweise geschaltet werden.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelschaltung (5) vorgesehen ist, an der eingangsseitig die Ausgangsspannung (Vout) anliegt und ausgangsseitig das erste Schaltsignal (S2) und das zweite Schaltsignal (S3) erzeugt werden, sodass die Ausgangsspannung (Vout) einen vorgegebenen Wert annimmt.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung (5) zwischen einer ersten Betriebsart und einer zweiten Betriebsart umschaltbar ist, wobei die Regelschaltung mit dem Ausgangssignal des Detektorschaltkreises gekoppelt ist, dass bei Detektion eines ersten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers die Regelschaltung in der ersten Betriebsart arbeitet, und dass bei Detektion eines zweiten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers die Regelschaltung in der zweiten Betriebsart arbeitet.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltsignal (S2) und das zweite Schaltsignal (S3) so oder nahezu so gewählt werden, dass der erste Schalter (2) und der zweite Schalter (3) im Gegentakt leitend oder im Gegentakt nicht leitend sind.
Gleichspannungswandler gemäß einem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass entweder der erste Schalter (2) als n-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist und der zweite Schalter als p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist oder dass der erste Schalter (2) als p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist und der zweite Schalter als nKannal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist und das erste Schaltsignal (S2) und zweite Schaltsignal (S3) in Phase oder nahezu in Phase sind.
Gleichspannungswandler gemäß einem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Schalter (2) als auch der zweite Schalter (3) als n-Kanal-Feldeffekt-Transistoren oder alsp-Kanal-Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sind und das erste Schaltsignal (S2) und zweite Schaltsignal (S3) in Gegenphase oder nahezu in Gegenphase sind.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (3) als Diode ausgeführt ist, deren Anode mit dem zweiten Anschluss (12) des induktiven Speicherelements und deren Kathode mit dem Anschluss zur Bereitstellung der Ausgangsspannung (Vout) verbunden ist.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung (5) so ausgeführt ist, dass nur ein erstes Schaltsignal (S2) zur taktweisen Schaltung des ersten Schalters (2) zur Verfügung gestellt wird.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers ein erster Zeitabschnitt, in dem der erste Schalter (2) nicht leitend ist, und ein zweiter Zeitabschnitt, in der zweite Schalter (3) nicht leitend ist, überlappen und im zweiten Betriebsmodus der erste und zweite Zeitabschnitt nicht überlappen.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertentscheider (7), einem ausgangsseitigen Signal (S7) einen von zwei logischen Zuständen zuweist, dass ein erster logischer Zustand angenommen wird, wenn ein interner Schwellwert zur Detektion von Überschwingern überschritten wird, und dass sonst ein zweiter logischer Zustand angenommen wird.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertentscheider (7), einem ausgangsseitigen Signal (S7) einen von den zwei logischen Zuständen zuweist, wobei der erste logische Zustand angenommen wird, wenn ein interner Schwellwert zur Detektion von Unterschwingern unterschritten wird, und dass sonst der zweite logische Zustand angenommen wird.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertentscheider (7) zwei interne Schwellwerte aufweist, wobei ein erster Schwellwert für ein Umschalten vom ersten in den zweiten Zustand sich von einem zweiten Schwellwert für ein Umschalten vom zweiten in den ersten Zustand um eine Schalthysterese unterscheidet.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement (8) einen Setzeingang, der mit dem Ausgang des Schwellwertentscheiders (7) gekoppelt ist, einen Rücksetzeingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Rücksetzeingang mit dem ersten Schaltsignal (S2) so gekoppelt ist, dass ausgangsseitig am Speicherelement (8) einer der logischen Zustände anliegt, wenn der erste Schalter (2) leitend ist, und dass ausgangsseitig ein anderer logischer Zustand anliegt, sobald am Setzeingang eine Taktflanke auftritt, wenn der erste Schalter (2) nicht leitend ist.
Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 2 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement (8) als D-Flip-Flop ausgebildet ist und einen weiteren Eingang aufweist, um einem der logischen Zustände einen Wert zuzuweisen, wobei dieser Eingang seinerseits mit dem Anschluss für die Ausgangsspannung (Vout) verbunden ist.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inverter (9) vorgesehen ist, der dem Rücksetzeingang des Speicherelements (8) vorgeschaltet ist, sodass das Speicherelement zurückgesetzt wird, wenn der erste Schalter (2) leitend ist.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertentscheider (7) und das Speicherelement (8) je einen Versorgungsanschluss aufweisen, die mit einem Anschluss zur Bereitstellung der Ausgangsspannung (Vout) verbunden sind.
Gleichspannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Detektorschaltkreises (6) an die Regelschaltung (5) gekoppelt ist, sodass die Regelschaltung (5) in der ersten Betriebsart arbeitet, wenn das Signal (S8) am Ausgang des Speicherelements (8) taktweise zwischen zwei Zuständen alterniert, und dass die Regelschaltung (5) in der zweiten Betriebsart arbeitet, wenn das Signal (S8) am Ausgang des Speicherelements (8) konstant ist.